PMBus 指令解析：READ_EIN (86h) / READ_EOUT (87h) 能量累加器，計算平均功率與效率

為什麼需要能量累加器

用 READ_PIN / READ_POUT 只能拿到某一瞬間的功率。如果負載變化很快（例如 CPU 負載跳動），主控端每秒讀幾次再平均，中間的變化全部漏掉，結果也會受到匯流排延遲和工作排程影響。

READ_EIN / READ_EOUT 把這件事交給電源內部處理：電源以固定的高速取樣率持續把每一筆功率值加進累加器，同時記錄取樣次數。主控端只要偶爾讀一次，就能算出兩次讀取之間的精確平均功率，不需要自己計時。

命令	代碼	累加的對象
`READ_EIN`	`86h`	輸入功率（ $V_{\text{IN}} \times I_{\text{IN}}$ ）
`READ_EOUT`	`87h`	輸出功率（ $V_{\text{OUT}} \times I_{\text{OUT}}$ ）

兩個命令的格式完全相同，以下說明同時適用。

READ_PIN 還是 READ_EIN？

用途	建議使用	原因
面板、儀表板的即時顯示	`READ_PIN` / `READ_POUT`	一次讀取就有數值，反應快
機櫃能耗統計、電費分攤	`READ_EIN`	不會漏掉兩次讀取之間的負載變化
資料中心 PUE 計算	`READ_EIN`	需要長時間、準確的累積用電量
負載曲線分析、效率監控	`READ_EIN` + `READ_EOUT`	每個區間都能算出精確平均值

通訊協定格式：Block Read

使用 Block Read，Byte Count 固定為 06h：

S | Addr+W | A | 86h/87h | A | Sr | Addr+R | A | 06h | A
  | ACC_L | A | ACC_H | A | ROLL | A | CNT_L | A | CNT_M | A | CNT_H | [A | PEC] | NA | P

Byte	欄位	長度	格式	說明
0	Byte Count	1	—	固定 `06h`
1 ～ 2	Accumulator	2	Direct	功率取樣值的累加總和，到 `7FFFh` 後歸零
3	Rollover Count	1	無號數	累加器每溢位一次加 1
4 ～ 6	Sample Count	3	24 位元無號數	累加進去的取樣次數

計算原理

1. 組合完整的能量計數

累加器只有 15 位元有效（正功率的最高位元一定是 0），到 7FFFh 後歸零並讓溢位計數加 1。所以完整的能量計數是：

E_{\text{count}} = \text{Rollover} \times 32768 + \text{Accumulator}

2. 平均功率：只需要兩個差值

在 $t_1$ 、 $t_2$ 各讀一次：

\overline{Y} = \frac{E_{\text{count}}(t_2) - E_{\text{count}}(t_1)}{N_{\text{sample}}(t_2) - N_{\text{sample}}(t_1)}

$\overline{Y}$ 就是這段期間平均的功率 Direct 碼值，再用 Direct 公式換算成瓦特：

\overline{P} = \frac{1}{m}\left(\overline{Y} \times 10^{-R} - b\right)

3. 需要能量（焦耳）時才要時間

E = \overline{P} \times \Delta t

$\Delta t$ 可以用 $\Delta N_{\text{sample}} \times$ 取樣週期（取樣週期見規格書），或用主控端自己量的時間。

4. 平均效率

分別用 READ_EIN 和 READ_EOUT 算出平均輸入、輸出功率，再相除：

\eta = \frac{\overline{P}_{\text{OUT}}}{\overline{P}_{\text{IN}}} \times 100\%

兩個命令各有自己的取樣計數，所以建議各自算出平均功率再相除，不要直接拿兩個能量差相除。

計算範例

以下假設 READ_POUT 的 Direct 係數為 m = 1、b = 0、R = 0（碼值直接等於瓦特，僅為示範）。

第一次讀取 READ_EOUT：06 E8 03 05 A0 86 01

欄位	原始值	數值
Accumulator	`E8 03` → `03E8h`	1000
Rollover	`05h`	5
Sample Count	`A0 86 01` → `0186A0h`	100000
能量計數	$5 \times 32768 + 1000$	164840

第二次讀取 READ_EOUT：06 E8 29 22 70 8E 01

欄位	原始值	數值
Accumulator	`E8 29` → `29E8h`	10728
Rollover	`22h`	34
Sample Count	`70 8E 01` → `018E70h`	102000
能量計數	$34 \times 32768 + 10728$	1124840

平均輸出功率：

\overline{P}_{\text{OUT}} = \frac{1124840 - 164840}{102000 - 100000} = \frac{960000}{2000} = 480\ \text{W}

同一段時間用 READ_EIN 算出 $\overline{P}_{\text{IN}} = 508\ \text{W}$ 的話：

\eta = \frac{480}{508} \times 100\% \approx 94.5\%

溢位處理

計數器	寬度	溢位後
能量計數（Rollover × 32768 + Accumulator）	8 + 15 = 23 位元	超過 $2^{23} - 1$ 後歸零
取樣計數	24 位元	超過 $2^{24} - 1$ （16,777,215）後歸零

用無號數減法再取模就能自動處理溢位，不需要判斷大小：

\Delta E = (E_2 - E_1) \bmod 2^{23} \qquad \Delta N = (N_2 - N_1) \bmod 2^{24}

部分元件提供擴充版命令（例如 READ_EIN_EXT），回傳更寬的計數器以延長溢位時間；也有元件的溢位點和上面不同。請以產品規格書為準。

C 語言實作

#include <stdbool.h>
#include <stdint.h>

typedef struct {
    uint32_t energy;    /* 23 位元：Rollover × 32768 + Accumulator */
    uint32_t samples;   /* 24 位元 */
} energy_reading_t;

/* rx 為 Block Read 讀回的 7 Bytes（含 Byte Count） */
bool parse_energy(const uint8_t rx[7], energy_reading_t *r)
{
    if (rx[0] != 6)
        return false;

    uint32_t acc  = ((uint32_t)rx[1] | (uint32_t)rx[2] << 8) & 0x7FFFu;
    uint32_t roll = rx[3];

    r->energy  = roll * 32768u + acc;
    r->samples = (uint32_t)rx[4] | (uint32_t)rx[5] << 8 | (uint32_t)rx[6] << 16;
    return true;
}

/* 兩次讀取之間的平均 Direct 碼值 × 1000（無號減法 + 遮罩自動處理溢位） */
bool energy_avg_code_milli(const energy_reading_t *a, const energy_reading_t *b,
                           int64_t *avg_milli)
{
    uint32_t de = (b->energy  - a->energy)  & 0x7FFFFFu;   /* mod 2^23 */
    uint32_t dn = (b->samples - a->samples) & 0xFFFFFFu;   /* mod 2^24 */

    if (dn == 0)
        return false;
    *avg_milli = ((int64_t)de * 1000 + dn / 2) / dn;
    return true;
}

energy_avg_code_milli() 回傳的是平均碼值的千倍，最後再套用 Direct 公式 $X = (Y \times 10^{-R} - b) / m$ 換算成毫瓦。以上面的範例，結果為 480000，搭配 m = 1、b = 0、R = 0 即為 480 W。

常見錯誤

錯誤	結果	正確做法
把累加器當 LINEAR11 解碼	數值完全錯誤（例如 `80F0h` 會被解成 N = −16，得到約 0.0037）	累加器是 Direct 碼值的總和
漏掉 Rollover Count，把 Byte 3 ～ 5 當取樣計數	取樣計數錯位，平均功率完全錯誤	6 Bytes = 累加器 2 + 溢位計數 1 + 取樣計數 3
取樣計數用高位元組在前讀取	線上收到 `84 03 00`，誤讀成 `840300h`	PMBus 一律低位元組在前，應為 `000384h`（900）
把累加器當成焦耳，再除以時間	平均功率多除了一次時間	平均功率 = 能量計數差 ÷ 取樣計數差
只用累加器、忽略溢位計數	累加器幾毫秒就繞一圈，差值不可靠	能量計數 = Rollover × 32768 + Accumulator
寫死取樣週期	換一款電源就算錯	平均功率不需要取樣週期；需要能量時，週期以規格書為準

工程實務提示

⚠️ CRPS 與機櫃管理

用來監控效率趨勢，不是認證測試：同時讀 86h 和 87h，可以在機櫃中長期監控每顆 CRPS 的效率變化，及早發現老化或異常。但 PMBus 量測本身有誤差，80 PLUS 等效率認證仍需使用實驗室等級的功率分析儀。
免去主控端計時的負擔：用 READ_PIN / READ_POUT 高頻輪詢再自己積分，容易受匯流排延遲和工作切換影響；能量累加器把取樣與累加交給電源內部處理，主控端只要定期讀取即可。
第一次讀取只當基準：平均功率需要兩次讀取的差值，系統啟動後的第一筆資料只能當起點。
確認支援與係數：READ_EIN / READ_EOUT 是選配命令，可以先用 QUERY (1Ah) 確認；累加器的係數與溢位點依產品而定，請查規格書。

結論

READ_EIN (86h) / READ_EOUT (87h) 用 Block Read 回傳 6 Bytes：累加器 2 + 溢位計數 1 + 取樣計數 3。
累加器是功率 Direct 碼值的總和，不是焦耳。
平均功率 = 能量計數差 ÷ 取樣計數差，不需要知道時間；需要能量時再乘上時間。
效率 = 平均輸出功率 ÷ 平均輸入功率。
用無號減法 + 遮罩處理溢位，讀取間隔要短於溢位時間。